整車輻射發(fā)射的EMC仿真

張 靖，袁正萍，徐 賢，張明凱，何華強

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

1 背景

1.1 汽車電磁兼容（EMC）的重要性

隨著汽車電子技術的發(fā)展，以及人們對汽車的安全性、功能性和舒適性的要求越來越高，相應的汽車內電子設備的比例出現了革命性地提高，電子設備的復雜度也發(fā)生了根本性的變化，從而使得汽車電磁兼容問題變得非常復雜。汽車電磁兼容問題是國際汽車業(yè)界公認的技術難題，而它又是考核汽車性能的一項重要指標，即有相應的汽車EMC國際和國家標準來評估汽車EMC性能。故針對汽車流動性的特點，研究汽車電磁兼容問題以提高汽車安全性和可靠性，并保證汽車不影響周圍設備的正常工作，已成為當前非常迫切和重要的研究課題。

1.2 整車EMC開發(fā)流程

1.2.1 整車EMC開發(fā)介入時機

整車在開發(fā)過程中，EMC開發(fā)介入的時機對成本以及可采取的整改措施有著非常大的影響。如圖1所示，橫軸為整車開發(fā)各個階段，縱軸為對應的EMC開發(fā)成本和可采取的整改措施的曲線。

汽車良好的電磁兼容特性來自好的系統設計，對于電磁兼容問題考慮的越早,解決問題所能采取的措施就越多，相應的成本也越低。例如在產品的概念設計階段，設計者在部件、接地、布線和匹配方面都可以進行電磁兼容的設計，可以選擇最適合產品特性并且成本最低廉的方法。而到了產品推向市場之后，往往只能在匹配方面做改動，且整改的成本將很高。

1.2.2 整車EMC開發(fā)流程

如圖2為一個整車EMC開發(fā)流程，首先根據目標市場，EMC法規(guī)標準及積累的實踐經驗進行整車EMC需求分析，然后一方面將分析得到的EMC需求用于整車結構設計中，包括網絡拓撲設計、部件布局設計、布線設計和接地設計；另一方面將EMC需求進行電磁兼容指標分配，即將EMC需求分配給各個零部件，包括零部件測試項目設計和EMC指標分配，并在此基礎上制定零部件EMC測試計劃并審核，審核通過后，執(zhí)行零部件EMC測試并審核測試報告，所有零部件EMC測試報告通過后就可裝車進入整車EMC測試流程。在整車進入EMC實驗室進行認證測試前，要進行整車EMC預測試，即在非暗室條件下，用近場測試方法定性分析整車EMC性能，在低成本下進行EMC測試及整改，預測試通過后進行整車認證測試可大大提高認證測試通過率。

1.2.3 整車EMC仿真的引入

在整車EMC的開發(fā)流程中，零部件裝車前必須通過零部件EMC認證測試，但是并不表示這些零部件裝車后，整車能夠通過標準測試。故后續(xù)還是會進行大量的EMC測試及整改，這樣會給整車研發(fā)成本和研發(fā)周期帶來較大的壓力。隨著CAD技術的發(fā)展，EMC仿真技術也越來越多應用于整車EMC開發(fā)過程中，即在整車測試之前引入整車EMC仿真，盡早發(fā)現問題進行整改，大大節(jié)約了整車研發(fā)成本和開發(fā)周期。故根據產品研發(fā)的生命周期,一個更加理想和完整的整車EMC開發(fā)流程可以歸納為設計→仿真→測試→整改4個步驟。

整車輻射發(fā)射的EMC仿真是汽車電磁兼容性研究的一個很重要也是相當有難度的一個環(huán)節(jié)，本文就是基于此背景下，在整車研發(fā)階段引入EMC仿真，并結合過往車型的EMC測試數據和記錄進行深入分析，就可以在汽車設計早期發(fā)現絕大多數EMC問題，為企業(yè)減少成本和時間。

2 汽車EMC仿真軟件

2.1 數值計算方法

EMC仿真軟件的核心就是其數值計算模塊。針對介質中電磁場、電磁波等傳播規(guī)律的描述一般比較復雜，目前在電磁兼容領域普遍采用的是數值分析法進行模擬。隨著計算電磁學的不斷發(fā)展,產生了很多種基于Maxwell方程組的數值求解方法：時域有限差分法（FDTD）、有限元法（FEM），矩量法（MOM）、傳輸線矩陣法（TLM）、局部源等效電路法（PEEC）等。這些方法是按照計算尺寸的不同、時域和頻域，積分和微分等分類標準進行劃分。

2.2 仿真軟件的選擇

目前市場上出現了很多種電磁兼容仿真軟件,這些軟件大都應用了一種或幾種數值計算方法。由于算法的針對性,并沒有一種軟件能夠解決所有的電磁場問題。

針對汽車電磁兼容應用的特殊性,仿真軟件需要具備以下能力:計算全三維電磁問題;求解涵蓋AM到GPS波段的各種類型天線（鞭天線，風窗玻璃天線，GPS天線等）；傳輸線法計算各類線束，包括單芯、雙絞、同軸等各種線纜間的串擾和信號完整性問題；三維電磁場與傳輸線的耦合;能夠考慮復雜車身結構以及多種類型的介質；具備多種干擾源；符合ISO,CISPR標準的測試模型；電路模擬分析;復雜負載的設計和編輯能力。

本文根據以上要求，結合汽車電磁兼容的特點，選擇了目前市場上適用于汽車電磁兼容仿真的主流仿真軟件EMCStudio。

2.3 EMCStudio仿真軟件介紹

EMCStudio是由格魯吉亞EMCOS公司專為汽車電磁兼容開發(fā)，EMCOS的前身是第比利斯大學電磁研究室。目前使用EMCStudio的整車廠有奧迪、大眾、三菱、日產、雷諾等。核心算法：矩量法、傳輸線法、等效源法、電路分析、物理光學法。其最大優(yōu)勢在于很好地將矩量法、傳輸線法和電路分析結合在一起，一次運行就能完成包含車身和復雜線束的電磁干擾計算。其功能特性簡要描述如下：

1）計算模塊:完全依照ISO、CISPR對汽車EMC的測試要求進行建模。具有抗擾分析、騷擾分析、串擾分析、大電流注入（BCI）、虛擬平臺以及電路分析等多個計算模塊,針對性很強。

嘉善旅游資源獨特、文化形態(tài)豐富。從20世紀90年代開始，嘉善依托得天獨厚的區(qū)位地理優(yōu)勢和資源特點，堅持政府主導戰(zhàn)略，嘉善文化旅游走出了一條以西塘“古鎮(zhèn)旅游“為突破口，發(fā)揮“水鄉(xiāng)、古鎮(zhèn)、田園”文化特色，主動融入“大上海旅游圈”發(fā)展之路，成為縣域旅游經濟的典范。可以借西塘古鎮(zhèn)的知名度和共享旅游市場人群，通過文化嫁接和轉換，把田歌文化元素植入西塘旅游中，在古鎮(zhèn)以及周邊啟動開發(fā)出以田歌為背景的旅游項目，通過西塘旅游來推動田歌文化傳播和發(fā)展。

2）前處理:便捷的幾何建模,支持多種CAD數據格式導入。對于CAE分析而言,模型的網格化往往占據前處理50%以上的工作,網格劃分的質量直接關系到計算結果的準確性。

3）后處理:計算結果顯示相對簡單,但接口對用戶完全開放。使用者可以自行編輯數據形成各種類型的報告。

4）診斷功能:提供類似于計算機編程語言的診斷調試功能,準確而直觀的告知使用者模型發(fā)生錯誤的具體位置,方便糾錯。

5）線束工具:對于汽車電磁兼容而言,線束的建模和分析占據著極為重要的地位。EMCStudio除了支持主流線束數據格式（KBL，XML，STEP）的導入以外,還可以自行建立和編輯線束數據。

綜上所述，EMCStudio針對性很強,完全符合汽車電磁環(huán)境的建模和計算。且其混合算法大大方便了用戶的計算過程。故EMCStudio仿真軟件是進行汽車電磁兼容問題仿真分析的一款非常實用的軟件。

3 多級聯合EMC仿真方法

汽車電子的EMC問題具有區(qū)別于其他電子產品的特點，其覆蓋范圍十分廣泛，從電路到PCB、子系統、直至整車系統。雖然EMC仿真技術在無線射頻、消費電子等領域具有一定的應用基礎，但是由于汽車電子自身的特點，整車級的汽車電子系統EMC分析需要從電路到整車系統的多級聯合EMC仿真，具體流程如圖3所示。

3.1 干擾源模型建立

產生輻射發(fā)射的干擾源一般是車輛上的電子控制部件和其執(zhí)行器，整車上包括多個輻射干擾源。干擾源模型可以通過電路或PCB仿真獲得，也可以通過零部件試驗測量，以試驗結果作為干擾源模型輸入，如圖 4（b）所示。

3.2 線束的網絡模型

在仿真分析中，各電子部件之間的互聯線纜需要被離散為傳輸線的網絡模型，進而進行求解。在此模型中，每個電子部件是網絡上的干擾源設備或負載設備，如圖4（c）所示。線纜本身作為傳輸線，在仿真分析中，需要求解傳輸線上的自身電流分布，以及傳輸線之間的線間耦合、傳輸線與車身金屬之間的感應電磁場耦合等等。

3.3 車身的網格模型

由于電磁波的特殊屬性，EMC仿真中只需要建立車身金屬部分的模型，一般可以由三維設計圖導入EMC仿真工具中，經過有技巧的模型簡化處理而得到。考慮到車載器件的工作頻率以及電流分布的趨膚效應，車身的網格一般是不需要考慮金屬厚度的幾何面模型，這種模型可以大大的節(jié)約仿真分析計算的時間。

3.4 仿真求解

建立上述的模型之后，就可以對干擾源、互聯線束、車身等效模型，進行多級聯合仿真求解。使用電路仿真方法（如PSpice、PEEC）求解干擾源端噪聲大小，使用傳輸線仿真方法（如TLM）求解線纜電流分布，使用全波仿真方法（如MoM、FDTD）求解串擾及車身金屬上的電流分布。一旦求解出源端噪聲、線纜電流分布、車身電流分布，即可計算出車輛表面上任意位置的輻射發(fā)射大小以及感應電流分布等等，具體如圖 4（d）所示。

4 車輛輻射發(fā)射仿真

4.1 問題描述

根據GB14023:2011的要求，整車輻射發(fā)射考量的是在距離車輛10 m處，車輛上的電子電氣部件對外傳播的電磁輻射量值。測量方位至少應該包括駕駛員側和副駕駛側。為了進行分析驗證，本文對駕駛室內的部件造成的輻射發(fā)射進行仿真，如圖5所示。

4.2 整車模型

從整車設計的CATIA圖紙中提取車身模型導入仿真工具中，為了簡化分析時間，僅保留車身金屬部分，因為非金屬部分對電磁干擾的影響非常小，這樣可以提高計算速度。導入模型的金屬部分是有厚度的，而由于趨膚效應，電流只會在金屬的表層分布，因此可以把車身模型簡化為無厚度的金屬表面。同時，為了模擬實際測試場地信息，還應建立地表面模型，即無限大理想導電平面，而車輛應該置于地面上的合理高度。

車身金屬表面必須離散為網格，仿真計算要求解的是每個網格上的電流分布，網格劃分的大小由仿真所關注的頻率λ決定，一般為網格大小為λ/10，即網格的尺寸不能超過關注的頻率的十分之一波長。

經過上述步驟，最終形成的車身離散網格模型如圖6所示。

4.3 線束模型

駕駛室內包含若干個EE部件，但由經驗和理論分析可知，輻射發(fā)射較大的部件主要為部件A和B，其中部件A位于儀表板下方，部件B位于駕駛員座椅下方。二者的線纜合成一股車身線束，通過連接器與底盤線束對插，兩個部件均采用雙線制供電。

選取可能包含較大干擾的線束端口，以實車線束布置作為計算路徑，在仿真軟件中建立線束分析模型，此線束模型中包含了多根硬線。再依據λ/10原則，把線纜按照傳輸線理論進行離散，進而形成傳輸線網絡模型，部件A和部件B簡化為網絡模型上的一個節(jié)點。

4.4 干擾源模型

干擾源模型通過電路/PCB仿真的方法來建立，部件A的源模型建立如圖8所示。將PCB導入仿真工具并提取可能產生干擾的關鍵電路，離散為PEEC網格模型。通過模型計算環(huán)繞ECU的封閉表面上的電磁場分布，即惠更斯等效的表面電流分布，這些等效電流將會耦合到ECU周圍的電纜中。計算中應該考慮車身因素，ECU應該放置在距離金屬地面8 cm處，這也相當于在真實汽車上的情況。

4.5 模型求解

將上述整車、線纜、源的模型進行多級協同仿真，使用MoM方法求解線纜和車身金屬表面的電流分布，如圖9所示。

所有的串擾、反射、散射等電磁傳播作用都會在仿真中得到計算。只要獲得了線纜和車身金屬表面的電流分布（這個分布是頻率的函數），就可以求解出該頻率下任意位置的電磁場大小。如圖10所示。

4.6 結果分析

10 m處的輻射發(fā)射仿真結果如圖11、12所示，圖11a代表垂直極化結果、圖12a代表水平極化結果。在實際測試中，僅激活駕駛室內的EE部件，將測量得到的結果(圖11b，圖12b)跟仿真結果進行對比驗證。分析結果表明，EMC仿真較好的預測了整車輻射發(fā)射的趨勢。EMC仿真和實測結果的定量對比如表1所示。

表1 仿真與實測結果對比

5 結論

本文首先介紹了整車EMC仿真課題的背景，然后介紹了汽車EMC仿真軟件，并在此基礎上研究了一種整車發(fā)射的EMC仿真方法，即多級聯合EMC仿真方法，深入分析了其仿真流程和原理，并結合一個仿真實例驗證了該仿真方法很好的預測了整車輻射發(fā)射的趨勢。故該多級聯合EMC仿真方法可用于整車EMC設計階段，盡早發(fā)現EMC問題并進行整改，以免把風險留到后面進行EMC測試及整改，從而大大降低成本和研發(fā)周期。

［1］GB14023-2011，車輛、船和內燃機 無線電騷擾特性 用于保護車外接收機的限值和測量方法［S］.

［2］EMC Studio Manual，Version 4.1［C］，EMCoS，2008.

［3］S.Frei，R.Jobava;Coupling of Inhomogeneous Fields into an Automotive Cable Harness with Arbitrary Terminations［C］，14th International Zurich Symposium on EMC；Zurich，2001.

［4］F.G.Canavero，The Challenge of Numerical EMC［C］，Proc.of the Euro-PAM'99 Conference，Darmstadt，Germany，October 1999.